CN112068264B - 一种高功率激光光束匀化耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光耦合装置，具体涉及一种高功率激光光束匀化耦合装置，属于激光耦合技术。包括底板以及安装于底座的入射光反射调节机构、匀光聚焦机构、标准光纤输出接头，所述匀光聚焦机构设置于所述入射光反射调节机构与所述标准光纤输出接头之间，所述入射光反射调节机构、标准光纤输出接头均与底座固定连接，所述匀光聚焦机构与底座滑动连接。本发明具有如下优点：激光光束经过匀化、聚焦后进行耦合，降低了聚焦光斑的能量密度；带有水冷与气冷双冷却结构；可用于兆瓦级峰值功率激光的耦合；可采用单束激光和单根光纤通过高损伤阈值的石英镜片耦合匀化后的大能量激光，同时避免传输光纤的损伤并提高耦合效率，简化机械结构降低制造成本。

Description

一种高功率激光光束匀化耦合装置
技术领域
本发明涉及一种激光耦合装置，具体涉及一种高功率激光光束匀化耦合装置，属于激光耦合技术。
背景技术
目前，最为常用的激光耦合方案主要分为光纤自聚焦技术与光纤合束技术。其中，光纤自聚焦技术通过自聚焦透镜将入射激光耦合进光纤之中，自聚焦透镜的原理是利用透镜不同位置材质折射率的变化实现光束聚焦，由于镜片材质并不均匀也较为复杂，导致通过大功率激光时容易损伤并失效，并且大功率激光聚焦于一点时也会损坏传输光纤，因此光纤自聚焦技术仅适用于低功率激光的光纤耦合，对于高功率激光的耦合并不适用。光纤合束技术是将多束激光通过多根光纤的熔接融合为一股光纤，以此达到激光合束以及提高激光输出能量的目的，由于光纤合束技术存在多股光纤的融合难度较大，多束激光传输时损失较多，使得耦合效率降低，并且多束激光系统结构也比单束激光系统结构更复杂，使得制造成本增加。
现有技术中，用于激光光纤耦合装置的产品还不能承受兆瓦级峰值功率能量的激光，无法将这么高功率的激光直接耦合进单根光纤之中，也就无法实现高峰值功率激光的柔性传输。本发明旨在解决兆瓦级大能量短脉冲激光在向光纤耦合时存在光纤易损伤以及耦合光纤前端空气击穿的问题；通过引入折射率器件对输入激光光束进行光束匀化技术，使得输入光束更均匀，消除聚焦耦合时引入的热点对光纤材料的损伤和对空气的击穿，开发出国产化兆瓦级大能量多模短脉冲激光的高效耦合装置。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种高功率激光光束匀化耦合装置，能够克服兆瓦级大能量短脉冲激光在向光纤耦合时存在光纤易损伤以及耦合光纤前端空气击穿的弊端，该装置通过引入折射率器件对输入激光光束进行光束匀化，使得输入光束更均匀，进而消除了聚焦耦合时引入的热点对光纤材料造成损伤以及对耦合光纤前端空气击穿的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种高功率激光光束匀化耦合装置，其采用的技术方案如下：
一种高功率激光光束匀化耦合装置，包括底板以及安装于底座的入射光反射调节机构、匀光聚焦机构、标准光纤输出接头，所述匀光聚焦机构设置于所述入射光反射调节机构与所述标准光纤输出接头之间，所述入射光反射调节机构、标准光纤输出接头均与底座固定连接，所述匀光聚焦机构与底座滑动连接。
优选的，所述入射光反射调节机构包括固连在所述底板上的底座以及与所述底座固定连接的反射基座，在所述反射基座的前后两端分别固定安装有一个反射镜固定板，在所述反射镜固定板中心孔内安装有反射镜压簧，所述反射镜压簧底部固定连接有一片反射镜片，所述反射基座在所述底座上倾斜设置，且所述反射基座内开设有光束通道，该光束通道为两次90度角折弯并且安装的两个反射镜片与通道均呈45度角安装，保证射出的激光光束与入射的激光光束平行，所述反射镜固定板上安装有三个用于调节反射镜固定板空间角度的调节旋钮。
优选的，所述匀光聚焦机构包括固连在移动平台上端的外壳体以及固定连接在所述外壳体内部的内壳体，所述内壳体靠近所述入射光反射调节机构的一端自外向内依次安装有阵列透镜定位板、阵列透镜支架一、阵列透镜支架二以及阵列透镜底盘，所述阵列透镜支架一与所述阵列透镜支架二通过螺纹连接，在所述阵列透镜支架一与阵列透镜支架二内部设置有阵列透镜压簧，所述阵列透镜压簧与所述阵列透镜底盘之间设置有一片方形阵列透镜，所述内壳体远离所述入射光反射调节机构的一端自外向内依次安装有聚焦透镜底盘与聚焦透镜支架，所述聚焦透镜支架设置有一片聚焦透镜，所述聚焦透镜分别通过聚焦透镜压簧、空心定位套进行轴向与径向定位，在所述外壳体与所述内壳体形成的环形空间内安装有螺旋铜管。
优选的，所述标准光纤输出接头用于固定国标光纤输出水冷接头，包括光纤连接器支撑座与光纤连接器压盖以及QBH光纤连接器，所述光纤连接器支撑座固定连接在所述底板上，所述QBH光纤连接器放置于所述光纤连接器支撑座上端并通过光纤连接器压盖进行固定。
优选的，所述匀光聚焦机构与所述底板之间设置有可沿底板水平滑动的移动平台，所述移动平台与步进电机连接，所述步进电机固定安装在底板上，所述移动平台滑动安装在底板上表面设置的滑槽内，所述匀光聚焦机构与所述移动平台固定连接。
优选的，所述方形阵列透镜用于入射光束转变为接近均匀的光斑，降低光斑的能量密度，所述聚焦透镜用于对匀化后的光束进行聚焦，所述移动平台用于调节聚焦光斑的前后位置，确保聚焦透镜能准确将光束注入后面的所述标准光纤输出接头。
本发明具有如下优点：激光光束经过匀化、聚焦后进行耦合，降低了聚焦光斑的能量密度；带有水冷与气冷双冷却结构；可用于兆瓦级峰值功率激光的耦合。本发明可采用单束激光和单根光纤通过高损伤阈值的石英镜片耦合匀化后的大能量激光，同时避免传输光纤的损伤并提高耦合效率，不但简化机械结构还有效降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例一种高功率激光光束匀化耦合装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一种高功率激光光束匀化耦合装置的另一视角结构示意图；
图3为本发明实施例一种高功率激光光束匀化耦合装置的匀光聚焦机构的结构示意图；
图4为本发明实施例一种高功率激光光束匀化耦合装置的反射镜固定板的正视图；
图5为本发明实施例一种高功率激光光束匀化耦合装置的反射镜固定板的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
参考图1-图2所示，本发明实施例提供的一种高功率激光光束匀化耦合装置，包括用于装配的底板1，在底板1上按照光线进入路径顺序安装入射光反射调节机构、匀光聚焦机构以及标准光纤输出接头。其中，入射光反射调节机构、标准光纤输出接头与底板1固定连接，匀光聚焦机构与底板滑动连接。且匀光聚焦机构与底板滑动连接通过移动平台8实现，具体为，匀光聚焦机构固定连接于移动平台8上端，移动平台8滑动安装在底板1上表面开设的滑槽内，并且在该移动平台8与安装在底板上的步进电机连接，可在步进电机驱动下沿滑槽水平运动。
参考图1-2所示，入射光反射调节机构包括底座2、反射基座3，且反射基座3在底座2上倾斜设置，还包括安装在反射基座3上的一对反射镜固定板4，在反射镜固定板4中心孔内依次安装有反射镜压簧5以及与反射镜压簧5连接的反射镜片6，反射镜固定板4上设有三个调节旋钮7。
参考图1、图4、图5所示，入射激光光束经过两次反射后，其射出激光光束与入射激光光束平行，并且射出的激光光束正对方形阵列透镜15。需要说明的是，反射基座3内开设有光束通道，该光束通道为两次90度角折弯，并且两个反射镜片6与通道呈45度角安装，保证射出激光光束与入射激光光束平行。
需要说明的是，入射光反射调节机构包括两片反射镜片6，每片反射镜片6都可以进行二维调节，以保证入射光能准确进入匀光聚焦机构。两个反射镜片6固定在两个二维反射镜固定板4上，反射镜固定板4上的两个小孔处安装带有弹簧的固定螺栓(图中未示出)，每个反射镜固定板4上安装的三个调节旋钮7的螺杆处带有精密螺纹，通过三个调节旋钮7来达到调节反射镜固定板4空间角度的目的。
参考图1、图3所示，匀光聚焦机构包括固连在移动平台8上端的开设有通孔的外壳体9，在外壳体9内部安装有上部开设有通孔的内壳体10，内壳体10一端自外向内依次安装有阵列透镜定位板11、阵列透镜支架一13、阵列透镜支架二14以及阵列透镜底盘16。其中，阵列透镜支架一13与阵列透镜支架二14通过螺纹连接在一起，在阵列透镜支架一13与阵列透镜支架二14内部还设置有阵列透镜压簧12，需要说明的是，阵列透镜压簧12具有一定弹性，在力的作用下可以发生弹性形变；阵列透镜支架一13上部也开设有通孔，并且该通孔与内壳体10的通孔同轴安装。在阵列透镜压簧12与阵列透镜底盘16之间设置有一片方形阵列透镜15。内壳体10的另一端自外向内依次安装有聚焦透镜底盘20与聚焦透镜支架18，聚焦透镜支架18设置有一片聚焦透镜21，聚焦透镜21分别通过聚焦透镜压簧17、空心定位套19进行轴向与径向定位，在外壳体9与内壳体10形成的环形空间内安装有螺旋铜管22。标准光纤输出接头用于固定国标光纤输出水冷接头，主要包括QBH光纤连接器25，其中，QBH光纤连接器25通过光纤连接器支撑座23与光纤连接器压盖24进行固定。
需要说明的是，匀光聚焦机构的核心部件为一片方形阵列透镜15和一片聚焦透镜21，方形阵列透镜15用于将表现为高斯光束的入射光转变为接近均匀的光斑，降低光斑的能量密度，所述聚焦透镜21用于对匀化后的光束进行聚焦。激光先通过方形阵列透镜15进行光束匀化，再通过聚焦透镜21进行聚焦，最后进入标准光纤输出接头中的光纤。
此外，匀光聚焦机构可以通入冷氮气，冷氮气经过方形阵列透镜15与聚焦透镜21底盘的凹槽吹拂镜片并向后传播到外部带走热量，也即气冷过程。为防止匀光聚焦机构内腔内壁因激光散射热量过高，加装了水冷结构，冷却水经过螺旋铜管22带走热量，也即水冷过程。为配合聚焦透镜21能准确将光束注入后面的光纤接头，匀光聚焦机构底部配有一个精密线性移动平台8，用于调节聚焦光斑的前后位置。
本发明工作时，激光先经过入射光反射调节机构，经过两个反射镜片6的两次反射后进入匀光聚焦机构，通过引入折射率器件(方形阵列透镜15)对输入激光光束进行光束匀化，使得输入光束更均匀，匀化后的光束在通过聚焦透镜21进行聚焦，最后进入标准光纤输出接头中的光纤。并且在此过程中，匀光聚焦机构可以通入冷氮气，冷氮气经过方形阵列透镜15与聚焦透镜21底盘的凹槽吹拂镜片并向后传播到外部带走热量，同时，通过加装水冷结构，使得冷却水经过螺旋铜管22带走热量，有效防止了匀光聚焦机构内腔内壁因激光散射热量过高的弊端。因此本发明提供的高功率激光光束匀化耦合装置，能够克服兆瓦级大能量短脉冲激光在向光纤耦合时存在光纤易损伤以及耦合光纤前端空气击穿的弊端。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种高功率激光光束匀化耦合装置，其特征在于，包括底板以及安装于底座的入射光反射调节机构、匀光聚焦机构、标准光纤输出接头，所述匀光聚焦机构设置于所述入射光反射调节机构与所述标准光纤输出接头之间，所述入射光反射调节机构、标准光纤输出接头均与底座固定连接，所述匀光聚焦机构与底座滑动连接，所述匀光聚焦机构包括固连在移动平台上端的外壳体以及固定连接在所述外壳体内部的内壳体，所述内壳体靠近所述入射光反射调节机构的一端自外向内依次安装有阵列透镜定位板、阵列透镜支架一、阵列透镜支架二以及阵列透镜底盘，所述阵列透镜支架一与所述阵列透镜支架二通过螺纹连接，在所述阵列透镜支架一与阵列透镜支架二内部设置有阵列透镜压簧；所述阵列透镜压簧与所述阵列透镜底盘之间设置有一片方形阵列透镜，所述内壳体远离所述入射光反射调节机构的一端自外向内依次安装有聚焦透镜底盘与聚焦透镜支架，所述聚焦透镜支架设置有一片聚焦透镜，所述聚焦透镜分别通过聚焦透镜压簧、空心定位套进行轴向与径向定位，在所述外壳体与所述内壳体形成的环形空间内安装有螺旋铜管；所述入射光反射调节机构包括固连在所述底板上的底座以及与所述底座固定连接的反射基座，在所述反射基座的前后两端分别固定安装有一个反射镜固定板，在所述反射镜固定板中心孔内安装有反射镜压簧，所述反射镜压簧底部固定连接有一片反射镜片，所述反射基座在所述底座上倾斜设置，且所述反射基座内开设有光束通道，该光束通道为两次90度角折弯并且安装的两个反射镜片与通道均呈45度角安装，保证射出的激光光束与入射的激光光束平行，所述反射镜固定板上安装有三个用于调节反射镜固定板空间角度的调节旋钮。
2.根据权利要求1所述的高功率激光光束匀化耦合装置，其特征在于，所述标准光纤输出接头用于固定国标光纤输出水冷接头，包括光纤连接器支撑座与光纤连接器压盖以及QBH光纤连接器，所述光纤连接器支撑座固定连接在所述底板上，所述QBH光纤连接器放置于所述光纤连接器支撑座上端并通过光纤连接器压盖进行固定。
3.根据权利要求1所述的高功率激光光束匀化耦合装置，其特征在于，所述匀光聚焦机构与所述底板之间设置有可沿底板水平滑动的移动平台，所述移动平台与步进电机连接，所述步进电机固定安装在底板上，所述移动平台滑动安装在底板上表面设置的滑槽内，所述匀光聚焦机构与所述移动平台固定连接。
4.根据权利要求1所述的高功率激光光束匀化耦合装置，其特征在于，所述方形阵列透镜用于入射光束转变为接近均匀的光斑，降低光斑的能量密度，所述聚焦透镜用于对匀化后的光束进行聚焦，所述移动平台用于调节聚焦光斑的前后位置，确保聚焦透镜能准确将光束注入后面的所述标准光纤输出接头。
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